特許 7484813 アクチュエータの摩擦補償制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-08

(45)【発行日】2024-05-16

(54)【発明の名称】アクチュエータの摩擦補償制御装置

(51)【国際特許分類】

   G05B 11/36 20060101AFI20240509BHJP

【ＦＩ】

G05B11/36 505A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021085172

(22)【出願日】2021-05-20

(65)【公開番号】P2022178399

(43)【公開日】2022-12-02

【審査請求日】2023-08-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】安部 義隆

(72)【発明者】

【氏名】野村 昌克

【審査官】牧 初

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－１７８２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－１３１０５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１０５５７０７０（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｂ １１／００－１３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アクチュエータに発生する力を制御する装置において、
アクチュエータの力指令とアクチュエータの速度を入力とし、外乱を推定する外乱オブザーバと、
前記アクチュエータを、使用速度範囲内で無負荷状態で加減速を繰り返し行ったときの前記外乱オブザーバの推定外乱がゼロとなるように作成した、アクチュエータ速度に対する摩擦補償量の関係を表す摩擦補償テーブルと、を備え、
前記摩擦補償テーブルから読み出した、アクチュエータ速度に対する摩擦補償量を、前記アクチュエータの力指令に加算して、前記アクチュエータに発生する力の指令値とすることを特徴とするアクチュエータの摩擦補償制御装置。

【請求項2】

前記摩擦補償テーブルには、前記アクチュエータの速度を低域通過フィルタに通した速度ｖと前記外乱オブザーバの推定外乱Ｆ_Dに基づいて式（６）～式（９）を演算することによって

【数6】

【数7】

【数8】

【数9】

（ただしｆｌｏｏｒはフロア関数、Δｖは速度データのサンプル間隔、λは波長）、
テーブル要素番号ｎの決定と、ｎ番目の摩擦補償要素ｆｃに対する修正量Δｆｃ（ｖ_n）、ｎ＋１番目の摩擦補償要素ｆｃに対する修正量Δｆｃ（ｖ_n+1）の算出を行い、前回の摩擦補償量ｆｃ（ｖ_n）、ｆｃ（ｖ_n+1）に、前記修正量Δｆｃ（ｖ_n）、Δｆｃ（ｖ_n+1）を各々加算して摩擦補償量の更新を行うテーブル修正部を備えたことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの摩擦補償制御装置。

【請求項3】

前記摩擦補償テーブルには、前記アクチュエータの速度を低域通過フィルタに通した速度ｖに基づいて式（６）、式（９）および式（１２）を演算することによって

【数6】

【数9】

【数12】

（ただしｆｌｏｏｒはフロア関数、Δｖは速度データのサンプル間隔、λは波長、ｎはテーブル要素番号、ｆｃは摩擦補償要素）、
アクチュエータ速度に対する摩擦補償量を読み出すテーブル読出し部を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータの摩擦補償制御装置。

【請求項4】

前記アクチュエータは移動可能な走行体に搭載され、アクチュエータ駆動用のモータと、前記モータによって駆動されるアクチュエータ出力軸とを有し、
前記アクチュエータ出力軸には被制御体が接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアクチュエータの摩擦補償制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アクチュエータの摩擦推定・補償に関する。ボールネジの様に機械装置に力を印加する装置において、駆動部の摩擦が問題となることがある。本発明は、摩擦を打消す力を機械装置に加えることにより、この問題を解決する制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ボールネジなどの機械装置に力を印加する装置において、例えば特許文献１に記載のように、外乱オブザーバによる推定外乱と制御入力信号の差により機械特性を同定し補償することが提案されていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１１－１５５５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術では、慣性を含めた機械特性の同定を数式モデルに基づいて行っており、演算が煩雑になり、実装する上で課題となる場合がある。

【0005】

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、無負荷の状態で外乱オブザーバの出力から、容易に補償テーブルを作成し、簡単な構成によりアクチュエータの摩擦を補償することができるアクチュエータの摩擦補償制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するための請求項１に記載のアクチュエータの摩擦補償制御装置は、
アクチュエータに発生する力を制御する装置において、
アクチュエータの力指令とアクチュエータの速度を入力とし、外乱を推定する外乱オブザーバと、
前記アクチュエータを、使用速度範囲内で無負荷状態で加減速を繰り返し行ったときの前記外乱オブザーバの推定外乱がゼロとなるように作成した、アクチュエータ速度に対する摩擦補償量の関係を表す摩擦補償テーブルと、を備え、
前記摩擦補償テーブルから読み出した、アクチュエータ速度に対する摩擦補償量を、前記アクチュエータの力指令に加算して、前記アクチュエータに発生する力の指令値とすることを特徴としている。

【0007】

請求項２に記載のアクチュエータの摩擦補償制御装置は、請求項１において、
前記摩擦補償テーブルには、前記アクチュエータの速度を低域通過フィルタに通した速度ｖと前記外乱オブザーバの推定外乱Ｆ_Dに基づいて式（６）～式（９）を演算することによって

【0008】

【数6】

【0009】

【数7】

【0010】

【数8】

【0011】

【数9】

【0012】

（ただしｆｌｏｏｒはフロア関数、Δｖは速度データのサンプル間隔、λは波長）、
テーブル要素番号ｎの決定と、ｎ番目の摩擦補償要素ｆｃに対する修正量Δｆｃ（ｖ_n）、ｎ＋１番目の摩擦補償要素ｆｃに対する修正量Δｆｃ（ｖ_n+1）の算出を行い、前回の摩擦補償量ｆｃ（ｖ_n）、ｆｃ（ｖ_n+1）に、前記修正量Δｆｃ（ｖ_n）、Δｆｃ（ｖ_n+1）を各々加算して摩擦補償量の更新を行うテーブル修正部を備えたことを特徴とする。

【0013】

請求項３に記載のアクチュエータの摩擦補償制御装置は、請求項１又は２において、
前記摩擦補償テーブルには、前記アクチュエータの速度を低域通過フィルタに通した速度ｖに基づいて式（６）、式（９）および式（１２）を演算することによって

【0014】

【数6】

【0015】

【数9】

【0016】

【数12】

【0017】

（ただしｆｌｏｏｒはフロア関数、Δｖは速度データのサンプル間隔、λは波長、ｎはテーブル要素番号、ｆｃは摩擦補償要素）、
アクチュエータ速度に対する摩擦補償量を読み出すテーブル読出し部を備えたことを特徴とする。

【0018】

請求項４に記載のアクチュエータの摩擦補償制御装置は、請求項１から３のいずれか１項において、
前記アクチュエータは移動可能な走行体に搭載され、アクチュエータ駆動用のモータと、前記モータによって駆動されるアクチュエータ出力軸とを有し、
前記アクチュエータ出力軸には被制御体が接続されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0019】

（１）請求項１～４に記載の発明によれば、摩擦補償テーブルを用いてアクチュエータに発生する力を制御するので、見かけ上摩擦のないアクチュエータが実現できる。

【0020】

（２）請求項２に記載の発明によれば、テーブル修正部を設けたので、外乱オブザーバの推定外乱をゼロにすることができる。

【0021】

（３）請求項３に記載の発明によれば、式（１２）の演算によって、補間した摩擦補償量を読み出すことができる。

【0022】

（４）請求項４に記載の発明によれば、被制御体が例えば台車である場合、アクチュエータの摩擦補償制御を組み込んだＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ；無人搬送車）の台車制御が行える。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明をＡＧＢ（無人搬送車）の台車制御に適用したシステムの構成図。

【図2】本発明の実施形態例によるアクチュエータの摩擦制御装置の全体構成図。

【図3】本発明の実施形態例における摩擦補償テーブルをグラフ化した説明図。

【図4】本発明の実施形態例における摩擦補償テーブル修正のブロック図。

【図5】本発明の実施形態例における摩擦補償テーブル読み出しのブロック図。

【図6】本発明の実施形態例における摩擦補償テーブル作成のシミュレーションの説明図。

【図7】本発明の実施形態例における摩擦補償テーブルの説明図。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。まず、本発明のアクチュエータの一例を、図１とともに説明する。

【0025】

図１は、本発明をＡＧＶの台車制御に適用したシステムの構成を示し、１は無人搬送車（移動可能な走行体；以下、ＡＧＶと称することもある）である。無人搬送車１上には例えば図示省略の基台が設けられ、その基台上の例えば四隅には、サーボモータを備えた４台のアクチュエータ２の各固定子が固定されている。

【0026】

アクチュエータ２は、ドライバ２１、アクチュエータ駆動用のモータ２２（サーボモータ）、固定部２３、ボールネジ（アクチュエータの出力軸）２４を備えている。

【0027】

本発明のアクチュエータの摩擦補償制御装置を備えたコントローラ３は、アクチュエータ２のドライバ２１にトルク指令（後述するアクチュエータに発生する力の指令値Ｆ_A）を与え、ドライバ２１はそのトルク指令に応じてモータ２２のモータ電流を制御する。モータ２２のモータ回転信号はアクチュエータの速度信号ｖ_Aとしてコントローラ３にフィードバックされる。

【0028】

４台のアクチュエータ２の各出力軸（ボールネジ２４）は、それぞれの垂直方向の運動の自由度を有しており、この垂直方向の運動は、モータ２２の作用によって行われる。

【0029】

４台のアクチュエータ２の各出力軸（ボールネジ２４）の先端部には、該先端部によって支持されるように、例えば図示省略の天板を介して台車４が配設され、台車４には荷５が搭載されている。台車４は、かご台車、車輪付き台車等で構成される。

【0030】

本実施形態例では、前記天板、台車４、荷５を含めて被制御体としている。また、アクチュエータ２の台数は４台に限るものではない。

【0031】

次にコントローラ３内のアクチュエータの摩擦補償制御装置の一例を図２とともに説明する。図２において、３１は、設定した力指令Ｆ_Rから後述の外乱オブザーバ３２で推定された推定外乱Ｆ_Dを差し引いてアクチュエータの力指令Ｆ_rを出力する減算器である。

【0032】

３２は、アクチュエータ２からフィードバックされたアクチュエータの速度ｖ_Aと前記アクチュエータの力指令Ｆ_rを入力とし、外乱を推定する外乱オブザーバである。

【0033】

尚、外乱に対する補償を行わない場合は減算器３１は不要であり、その場合はＦ_r＝Ｆ_Rとなる。

【0034】

３３は、外乱オブザーバ３２で推定された推定外乱Ｆ_Dとアクチュエータの速度ｖ_Aに基づいて、アクチュエータ速度（ｖ_A）に対する摩擦補償量（Ｆ_c）の関係を表すテーブルが作成された摩擦補償テーブルである。

【0035】

この摩擦補償テーブル３３は、テーブル修正部３４、テーブル３５、テーブル読出し部３６から構成されている。

【0036】

３７は、アクチュエータの力指令Ｆ_rにテーブル読出し部３６から読み出された摩擦補償量（補償力）Ｆ_cを加算する加算部である。

【0037】

加算部３７の加算出力はアクチュエータに発生する力の指令値Ｆ_Aとしてアクチュエータ２に入力される。

【0038】

尚、図２のアクチュエータ２のブロック内に表記されている数式の、Ｍ_Aはアクチュエータ質量、ｇは外乱オブザーバのゲイン、Ｆ_distは外乱成分を示している。

【0039】

図２のアクチュエータの摩擦補償制御装置では、アクチュエータ２の摩擦を補償し、摩擦がないアクチュエータ２に力指令Ｆ_Rが加えられたときと同じ動作をするように摩擦補償量Ｆ_cを計算し、力指令Ｆ_rに摩擦補償量Ｆ_cを加えてアクチュエータ２に発生する力の指令値Ｆ_Aとする。

【0040】

摩擦補償量Ｆ_cは外乱オブザーバ３２による外乱推定結果Ｆ_Dを用いて作成された、アクチュエータ２の速度ｖ_Aに対する摩擦補償量Ｆ_cのテーブルを用いて計算する。以下ラプラス変換された変数は^-で表す。ｘ^-＝Ｌ（ｘ）。

【0041】

アクチュエータ単体でアクチュエータ２に、外乱オブザーバ３２の応答性に比べ遅い変化の力Ｆ_Aを加える。

【0042】

アクチュエータ２の摩擦を速度の関数として摩擦力Ｆ_cc（ｖ_A）、摩擦補償量Ｆ_c（ｖ_A）とすると、

【0043】

【数1】

【0044】

であり、外乱オブザーバ３２による推定外乱Ｆ_Dは、

【0045】

【数2】

【0046】

である。Ｍ_Aはアクチュエータ質量、Ｍ_Amはアクチュエータ質量設定値、ｇはオブザーバゲインである。

【0047】

ここで、Ｍ_A＝、Ｍ_Amとすると次式となる。

【0048】

【数3】

【0049】

式（３）において

【0050】

【数4】

【0051】

とする。ｋは定数である。

【0052】

【数5】

【0053】

従って、式（４）のように摩擦補償量Ｆ_cを与えることにより、アクチュエータ単体でＦ_D＝０となる。これにより、摩擦の影響を除去できる。

【0054】

図３は、摩擦補償テーブル（テーブル３５）をグラフ化して表示したものである。図３において、横軸はアクチュエータの速度（ｖ）、縦軸はテーブルの要素（摩擦補償要素）ｆｃを示しており、速度Δｖ間隔（速度データのサンプル間隔）の摩擦補償量となっている。

【0055】

テーブル修正部３４では、アクチュエータの速度ｖ_Aと外乱オブザーバ３２の推定外乱Ｆ_Dからテーブルの要素（摩擦補償要素）ｆｃの修正を行う。テーブル修正部３４では、速度の離散化により修正するテーブルの要素ｆｃの要素番号ｎの決定と修正量Δｆｃの算出を行い、テーブルの要素ｆｃを修正する。

【0056】

低域通過フィルタによりノイズを除去した速度をｖとすると、

【0057】

【数6】

【0058】

により修正する要素番号ｎを決める。修正はｎ、ｎ＋１の要素に対して行う（速度はｖ_n＝ｎΔｖ，ｖ_n+1＝（ｎ＋１）Δｖ）。

【0059】

修正する量Δｆｃは

【0060】

【数7】

【0061】

【数8】

【0062】

【数9】

【0063】

であり、

【0064】

【数10】

【0065】

【数11】

【0066】

式（１０）、式（１１）は式（４）の積分に対応した計算であり、ΔＴごとに実行する。λ＝ΔＴｋ、ただし、ｆｃ（０）＝０とする（尚、ｆｌｏｏｒはフロア関数、λは波長、Ｔは周期、ｋは定数である）。

【0067】

テーブル修正部３４が行う前記式（６）～式（１１）の演算は、例えば図４のブロックにより実行される。

【0068】

図４において、４１はアクチュエータ２の速度ｖ_Aが入力される低域通過フィルタ、４２は低域通過フィルタ４１の出力ｖと速度データのサンプル間隔Δｖからｆｌｏｏｒ（ｖ／Δｖ）（前記式（６））を演算して修正する要素番号ｎを求める演算器、４３はｖをΔｖで割る除算器である。４４は、前記式（９）のα＝（ｖ－ｖ_n）／Δｖを求める減算器である。

【0069】

４５は推定外乱Ｆ_D（ｖ）と波長λをかける乗算器、４６は、乗算器４５の乗算出力であるλＦ_D（ｖ）と減算器４４の減算出力であるαをかける乗算器、４７は乗算器４５の乗算出力であるλＦ_D（ｖ）から、乗算器４６の乗算出力であるλαＦ_D（ｖ）を減算する減算器である。

【0070】

減算器４７の出力は前記式（７）の修正量Δｆｃ（ｖ_n）＝λ（１－α）Ｆ_Dであり、乗算器４６の出力は前記式（８）の修正量Δｆｃ（ｖ_n+1）＝λαＦ_Dである。

【0071】

４８は、遅延部４９により遅延された前回の摩擦補償量ｆｃ（ｖ_n）に修正量Δｆｃ（ｖ_n）（減算器４７の出力）を加算し（前記式（１０）を演算し）、摩擦補償量の更新を行う加算器である。

【0072】

５０は、遅延部５１により遅延された前回の摩擦補償量ｆｃ（ｖ_n+1）に修正量Δｆｃ（ｖ_n+1）（乗算器４６の出力）を加算し（前記式（１１）を演算し）、摩擦補償量の更新を行う加算器である。

【0073】

尚、図４中のｆｃ（ｖ_n）、ｆｃ（ｖ_n+1）は図２のテーブル３５に相当する。

【0074】

図２のテーブル読出し部３６では、アクチュエータ２の速度ｖ_Aから摩擦補償量Ｆ_cを計算する。

【0075】

前記式（６）、式（９）同じ計算を行い式（１２）によって摩擦補償量Ｆ_cが求められる。

【0076】

【数12】

【0077】

テーブル読出し部３６が行う前記式（６）、式（９）、式（１２）の演算は、例えば図５のブロックにより実行される。図５において図４と同一部分は同一符号をもって示している。

【0078】

図５において、式（６）、式（９）を演算するための低域通過フィルタ４１、演算器４２、除算器４３、減算器４４は図４のものと同一である。

【0079】

６１は、摩擦補償量ｆｃ（ｖ_n+1）から摩擦補償量ｆｃ（ｖ_n）を差し引く減算器である。

【0080】

６２は減算器６１の減算出力と減算器４４の減算出力αを乗算する乗算器、６３は乗算器６２の乗算出力と摩擦補償量ｆｃ（ｖ_n）を乗算する乗算器であり、乗算器６３の乗算出力が前記式（１２）のＦ_c（ｖ）＝α{ｆｃ（ｖ_n+1）－ｆｃ（ｖ_n）}＋ｆｃ（ｖ_n）となる。

【0081】

摩擦補償テーブル３３は、前記アクチュエータを、使用速度範囲内で無負荷状態で加減速を繰り返し行ったときの前記外乱オブザーバの推定外乱がゼロとなるように作成するものであり、図６に摩擦補償テーブル作成シミュレーションを示す。

【0082】

アクチュエータ（２）の速度を[－０．１，０．１]ｍ／ｓの範囲で繰り返し変化させ摩擦補償テーブルを作成した。図６（ａ）は速度を示し、図６（ｂ）はアクチュエータの発生する力（実線）と外乱オブザーバ（３２）の出力（破線）を示している。

【0083】

図６（ｂ）から、時間とともに外乱オブザーバ出力が０に近づいていることがわかる。

【0084】

図７は、作成された摩擦補償テーブルをグラフで表した図であり、横軸がアクチュエータ速度、縦軸が摩擦補償量である。

【0085】

本実施形態例のアクチュエータの摩擦補償制御装置を図１のコントローラ３に組み込んだ場合、アクチュエータ２の摩擦の影響をなくしたＡＧＶの台車制御が実現できる。

【符号の説明】

【0086】

１…ＡＧＶ
２…アクチュエータ
３…コントローラ
４…台車
５…荷
２１…ドライバ
２２…モータ
２３…固定部
２４…ボールネジ
３１，４４，４７，６１…減算器
３２…外乱オブザーバ
３３…摩擦補償テーブル
３４…テーブル修正部
３５…テーブル
３６…テーブル読出し部
３７…加算部
４１…低域通過フィルタ
４２…演算器
４３…除算器
４５，４６，６２…乗算器
４８，５０，６３…加算器
４９，５１…遅延部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】